Těžký kalibr na nejlehčí částici

aneb

úspěšné dokončení cesty komory elektronového spektrometru určeného ke stanovení hmotnosti neutrina kolem Evropy

Neutrina jsou jedněmi z nepozoruhodnějších částic, které fyzikové doposud poznali. V roce 1930 navrhl tuto, tehdy pouze hypotetickou částici, W. Pauli, aby zachránil platnost zákona zachování energie v radioaktivním rozpadu beta. Původně se myslelo, že při tomto rozpadu vzniká pouze elektron. Kdyby to byla pravda, musel by mít kinetickou energii přesně danou hodnotou energie, která se při tomto rozpadu uvolňuje. Ta má pro každý rozpad beta přesně definovanou hodnotu. Měřením kinetické energie elektronů se však ukázalo, že její velikost může nabývat všechny hodnoty, které nepřesahují hodnotu právě té při rozpadu uvolněné energie. Tuto skutečnost vysvětlil W. Pauli pomocí neutrina, které odnáší přesně tu chybějící část energie. Navržená částice musela mít velmi specifické vlastnosti. Nemohla mít elektrický náboj, musela být velmi lehká a hlavně s hmotou mohla interagovat jen velice slabě. Samotný Pauli byl velmi nešťastný z toho, že díky tomu neuvěřitelně slabému působení neutrina na ostatní hmotu, nebude jeho hypotézu možno potvrdit. Přesto se to po čtvrtstoletí podařilo díky velmi silným zdrojům neutrin, kterými jsou jaderné reaktory, a novým typům detektorů.

Od té doby se fyzikům úspěšně daří neutrina produkovat i zachycovat, i když to není vůbec jednoduché. Pro představu, velmi intenzivním zdrojem neutrin je i Slunce. Neutrina z něho přilétají k Zemi téměř rychlostí světla a na každý čtverečný centimetr jich za sekundu dopadá 60 miliard. I našimi těly tak prolétají každou sekundu miliardy neutrin, přesto ti šťastnější z nás za celý život zachytí pouze jedno či dvě a ti méně šťastní si ani „neškrtnou“. Přesto se fyzikům, díky stále dokonalejším a často i rozměrově velmi velkým detektorům, o neutrinech podařilo zjistit řadu zajímavých skutečností. Zjistili, že neutrina se vyskytují ve velké řadě procesů, že jsou ve vesmíru velmi běžná. Dokonce není pouze jeden, ale existují tři druhy neutrin. V posledním desetiletí se plně prokázalo, že jednotlivá neutrina jednoho typu se mohou samovolně přeměňovat na neutrina jiného typu. Tato vlastnost, nazývaná oscilacemi neutrin, je umožněna podivuhodnými vlastnostmi kvantové fyziky a nastává pouze tehdy, jestliže mají neutrina různých typů i rozdílnou hmotnost.

Obr. č. 1) Hlavní komora elektronového spektrometru při vakuových zkouškách v Deggendorfu.

A tak se dostáváme k hmotnostem neutrin. Velmi dlouho se fyzikové domnívali, že je jejich klidová hmotnost nulová a tím se podobají částici elektromagnetického záření – fotonům. Právě pozorování oscilací neutrin ukázalo, že alespoň některé typy neutrin hmotnost mají. Ovšem zkoumání vlastností oscilací neutrin umožňuje zjistit pouze rozdíly hmotností jednotlivých typů. Ty jsou opravdu nepatrné – více než deset milionkrát menší než hmotnost druhé nejlehčí známé částice hmoty elektronu. Vyjádřeno v energetických jednotkách elektronvolt (eV), používaných fyziky pro hmotnosti v mikrosvětě (s využitím Einsteinova vztahu mezi hmotností a energií), je to měně než 0,05 eV. To jsou tedy rozdíly hmotností, ale samotnou hmotnost neutrina oscilace určit neumožňují. Pro takové určení se musíme obrátit na jiné metody.

A jsme zase na počátku u rozpadu beta, zkoumaném už Paulim, a měření energií elektronů, které při něm vyletují. Pokud bude příroda na vytvoření neutrina potřebovat nějakou energii odpovídající hmotnosti neutrina, bude tato energie při rozpadu chybět. A tak i ty elektrony s největší energií budou mít energii právě o tuto hodnotu menší, než je hodnota energie v rozpadu uvolněná. Budeme-li tedy velice přesně měřit tyto elektrony s nejvyššími kinetickými energiemi, můžeme tento chybějící „kapánek“ energie určit a zjistit tak hmotnost neutrina. Stačí k tomu vybrat vhodné radioaktivní jádro a postavit příslušný elektronový spektrometr pro měření energie elektronů. A takovou metodou neutrino „váží“ už několik generací fyziků. Jako velice vhodné se pro tato měření ukázalo radioaktivní jádro tritia. Problém ovšem je, že ten „kapánek“ energie je hrozně maličký a těch elektronů s hodnotou energie velmi blízkou energii rozpadu je hrozně málo oproti těm ostatním s energií nižší. A tak je třeba stavět stále dokonalejší a větší spektrometry elektronů. Ty poslední, které ještě měly „lidské“ rozměry, umožnily pouze určit, že hmotnost neutrina je menší než 2 eV. Pro to, abychom se s přesností dostali k hodnotám ještě desetkrát níže už potřebujeme zařízení, jehož rozměry už lidskou dimenzi přesahují. Přesto by bylo velmi potřebné takové zařízení postavit.

Obr. č. 2) Cesta komory kolem Evropy

Jak už jsem se zmínil, neutrina jsou velice běžná. Celý vesmír by měl být například vyplněn tzv. reliktními neutriny. Ta pocházejí z doby 1 sekundy po začátku rozpínání našeho vesmíru. Hmotnost neutrin je hrozně malá, ovšem reliktních neutrin by mělo být velmi mnoho (hustota 336 neutrin na kubický cm). Takže v případě jejich hmotnosti 2 eV by mohla tvořit nezanedbatelnou část hmoty ve vesmíru a vysvětlit alespoň část tzv. temné hmoty, která je momentálně jednou z největších záhad přírody. Trochu podrobněji jsem o tom psal v článku o temné hmotě. Pokud je však hmotnost neutrina ještě desetkrát menší, tak už vliv jeho hmotnosti v kosmickém měřítku bude hrát menší roli. Takže by zmíněné zpřesnění našeho měření neutrina mělo obrovský význam pro poznání historie a dalšího vývoje našeho vesmíru.

Obr. č. 3) Průjezd plavební komorou v Jochensteinu

Z tohoto důvodu výzkumníci ze čtyř zemí, včetně pracovníků našeho Ústavu jaderné fyziky AV ČR, založili v roce 2001 spolupráci KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino) a rozhodli se postavit ve Výzkumném centru v Karlsruhe desetkrát citlivější „neutrinové váhy“ než byly všechny dosavadní. Rozměry však v tomto případě musí být gigantické. Takže hlavní část zařízení, kterým je vakuová komora, má průměr 10 m a délku 23 m (obr. č. 1). Výrobu tak velkého zařízení, které musí dokonale těsnit, protože uvnitř bude velmi vysoké vakuum, je velmi složitá. V soutěži o zhotovení této obří vakuové komory vyhrála nakonec loďařská firma v německém Deggendorfu. Ten je od Karlsruhe vzdálen pouze 220 km vzdušnou čarou. Avšak, vzhledem k velikosti komory, ji nebylo možné dopravit ani po silnici ani vnitrostátním vodním kanálem mezi Dunajem a Rýnem. Proto nastoupila 8800 km dlouhou objížďku přes Černé moře, Středozemní moře a Atlantický oceán (obr.č.2). Napřed tedy říční lodí po Dunaji. Zde musela být občas loď plně zatížená pro zvýšení ponoru a i tak to někdy vyšlo o chlup (obr. č.3) . Po překládce na námořní loď v přístavu na břehu Černého moře (obr č.4) se vydala přes Bosporskou úžinu, kolem Sicílie a Gibraltaru až do ústí řeky Rýn. Tam se přeložila na říční ponton aby se nedaleko Leopoldshafenu ji jeřáb naložil na speciální silniční tahač (obr. č. 5) a sedm kilometrů na něm putovala (obr č.6 a 7), až konečně v tomto týdnu 29. listopadu dorazila na místo a byla osazena na své stanoviště ve Výzkumném centru Karlsruhe (obr č. 8).

Obr. č. 4) Po přeložení na námořní loď před cestou Černým mořem na Sicílii

A tak se završila jedna z velmi důležitých etap v budování největšího spektrometru elektronů. Zas se přiblížilo jeho spuštění a doba, kdy se dovíme, jestli neutrina gravitačně hýbou i přes svou malinkou hmotnost našim vesmírem. I když se však ukáže, že je jejich hmotnost menší, než na kterou bude nový spektrometr stačit, zůstanou neutrina částicemi, jejichž podivuhodné vlastnosti ještě hodně otestují schopnosti i dalších generací fyziků a přinesou další významné poznatky o světě kolem nás. Proto je velmi dobře, že se spolupráce KATRIN v rámci skupiny z našeho ústavu zúčastňují, a velmi úspěšně, i naši studenti v rámci svých diplomových a doktorandských prací. Česká skupina má na starosti velmi důležitou část projektu, která připravuje kalibraci a dlouhodobé monitorování stability spektrometru, která je pro tak přesná a citlivá měření rozhodující.

Obr. č. 5) Překládka na speciální silniční tahač

Na závěr bych se chtěl omluvit, že jsem připojil tolik obrázků, ale mě ta komora připomíná něco z těch půvabných parostrojů J. Verna, Welsova stroje času a jiných mašin prvních knížek vědecké fantastiky a moc se mi líbí. Tím, jak je to vůči těm domům obrovské, se mi ani nechce věřit, že nejde o fotomontáž. Také děkuji za obrázky a konzultace kolegovi Otokaru Dragounovi a celé spolupráci KATRIN.

Obr. č. 6 a 7) Cesta tahačem po silnici

Obr. č. 8) Usazení komory na své místo

Komu se obrázky také zalíbily, může si prohlédnout řadu dalších i s videem na stránkách Výzkumného centra v Karlsruhe. Stránky české účasti na projektu KATRIN jsou zde. Podrobné povídání o problematice vážení neutrina, které připravuje Otokar Dragoun, vyjde začátkem příštího roku v časopise Vesmír.

Vladimír Wagner

Ústav jaderné fyziky AVČR

WWW: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/

E_mail: wagner@ujf.cas.cz

---